Bijlage 7. Onderzoeksrapport potentie zonthermie Zuid-Holland, CE Delft, 2020
Tekst van het document
Beleidsdocument Warmtevisie
Bijlage 7 Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland Eindrapportage
Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland Eindrapportage
Dit rapport is geschreven door: Joram Dehens en Katja Kruit Delft, CE Delft, november 2020 Publicatienummer: 20.200260.148 Provincies / Duurzame energie / Zonne-energie / Thermische Zonne-energie / Inventarisatie Opdrachtgever: Provincie Zuid-Holland Alle openbare publicaties van CE Delft zijn verkrijgbaar via www.ce.nl Meer informatie over de studie is te verkrijgen bij de projectleider Katja Kruit (CE Delft) © copyright, CE Delft, Delft
CE Delft Committed to the Environment CE Delft draagt met onafhankelijk onderzoek en advies bij aan een duurzame samenleving. Wij zijn toonaangevend op het gebied van energie, transport en grondstoffen. Met onze kennis van techniek, beleid en economie helpen we overheden, NGO’s en bedrijven structurele veranderingen te realiseren. Al 40 jaar werken betrokken en kundige medewerkers bij CE Delft om dit waar te maken.
1
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Inhoud Voorwoord
4
Samenvatting
5
Inleiding
9
1
Zonthermiesysteem 1.1 Zonthermische opwektechnieken 1.2 Toepassingen en configuraties
11 11 14
2
Potentie van zonthermie 2.1 Zonthermie op daken 2.2 Zonthermie op velden 2.3 Samenvatting potentieel
22 22 27 37
3
Marktkansen zonthermiesystemen 3.1 Zonneboiler 3.2 Pvt-systeem inclusief een warmtepomp 3.3 Zonnecollectoren voor individuele ruimteverwarming 3.4 Grootschalige collectieve zonthermieopwek 3.5 Overzicht marktkansen zonthermie
39 39 40 40 41 43
4
Belemmeringen 4.1 Bekendheid ontbreekt 4.2 Ervaring is beperkt in Nederland 4.3 Ruimte is schaars 4.4 Financieel ongunstig 4.5 Regelgeving en normering zijn te weinig ontwikkeld 4.6 Combinatiemogelijkheden van de techniek en marktuitdagingen
44 44 44 45 45 46 46
5
Instrumentarium provincie 5.1 Vergroten van bekendheid 5.2 Opdoen van ervaring 5.3 Verbeteren van financiële situatie 5.4 (Ruimtelijk) beleid 5.5 Aanvullende onderzoeksvragen
47 47 47 48 48 50
6
Bibliografie
51
Bijlagen
54
2
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
A
Interviewverslagen A.1 Interview HoCoSto A.2 Interview Holland Solar A.3 Interview Solarfields
55 55 58 61
B
Belemmeringen B.1 Bekendheid B.2 Ervaring B.3 Ruimte B.4 Financieel B.5 Regelgeving B.6 Markt
64 64 64 65 65 66 66
3
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Voorwoord Dit onderzoek is een eerste verkenning van de kansen voor zonthermie in de provincie Zuid-Holland. Het dient ter ondersteuning van de provincie in het faciliteren van gemeenten, regio’s en andere stakeholders bij de energietransitie. Bij het inventariseren van de marktkansen en belemmeringen voor zonthermie zijn interviews afgenomen met Holland Solar, Solarfields en HoCoSto. De auteurs willen deze partijen graag bedanken voor hun medewerking aan dit onderzoek.
4
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Samenvatting Deze studie geeft een verkenning van de verschillende mogelijkheden die Zuid-Holland heeft om warmte van de zon te gebruiken. De studie kijkt naar het potentieel van zonthermische systemen: de opwekpotentie, de kansen en belemmeringen in de praktijk en instrumentarium om zonthermie te bevorderen.
Typen zonthermische systemen Zonthermie is een vorm van energieopwekking waarbij de warmte uit zonlicht wordt opgevangen door zonnecollectoren. Een zonnecollector bestaat uit een plaat of constructie van buizen waar een vloeistof doorheen stroomt, die wordt opgewarmd als de zon schijnt. De opgewarmde vloeistof wordt via een warmtewisselaar ingezet om tapwater, cv-water, proceswater of warmtenetten te verwarmen. Zonthermiesystemen bestaan in verschillende soorten en maten. Er zijn individuele systemen, zoals een zonneboiler die warm water levert voor een woning. Collectieve systemen wekken warmte op voor een warmtenet. In deze studie is zowel naar de individuele als collectieve opties gekeken en hun toepassingen. Tabel 1 toont een overzicht van het type warmtevraag en de meest toegepaste zonthermiesystemen in de sectoren gebouwde omgeving, glastuinbouw en industrie. Tabel 1 – Toepassingen en type zonthermiesysteem voor verschillende sectoren Sector/afnemer
Toepassing
Zonthermiesysteem
Gebouwde omgeving
Tapwater
Zonneboiler
Gebouwde omgeving
Ruimteverwarming (incl. tapwater)
Zonnecollectoren
Gebouwde omgeving
Lagetemperatuurwarmtebron of
(Ongeïsoleerde) pvt-panelen, ongeïsoleerde
wko-regeneratie
zonnecollectoren
Glastuinbouw
Kasverwarming
Zonnecollectoren of DaglichtKas
Industrie
Warm proceswater en proceswarmte tot
Zonnecollectoren
ca. 100°C
Zonthermie levert warmte op temperaturen tot boven 70°C. Deze warmte is zonder aanvullende energiebron rechtstreeks bruikbaar voor ruimteverwarming of tapwater. De opbrengst van zonthermie is seizoensafhankelijk met voornamelijk warmteproductie in de zomer. De vraag naar ruimteverwarming daarentegen is echter het grootst in de wintermaanden. Een thermisch opslagsysteem is nuttig om zo de warmteopbrengst beschikbaar te maken in de winter.
Potentieel in Zuid-Holland Om inzicht te krijgen in de mogelijkheden van zonthermie in Zuid-Holland, is bepaald wat het potentieel is van twee varianten: zon op dak en zonnevelden. De potentiële opbrengst van zon op dak is ingeschat voor zonneboilers en zonnecollectoren voor woningen in de provincie Zuid-Holland. Zonneboilers voorzien een deel van de warmtapwatervraag en zonnecollectoren voorzien een deel van de ruimtewarmtevraag. Voor beiden is uitgegaan van algemene kengetallen voor de geschiktheid van daken voor zonthermie, zonder dat rekening is gehouden met specifieke gegevens voor Zuid-Holland.
5
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
De potentiële opbrengst van grootschalige zonnevelden in de provincie Zuid-Holland is bepaald aan de hand van een ruimtelijke analyse van de beleidskaders voor zonnevelden. De potentiële opbrengst van zonnewarmte wordt vervolgens afgewogen tegen de lokale warmtevraag van woningen en glastuinbouw. Er zijn twee varianten doorgerekend: — een variant welke de provinciale Omgevingsvisie volgt; — een verruimde variant waar meer ruimte zoals landbouwgebied in aanmerking komt. Tabel 2 toont voor de RES-regio’s in de provincie Zuid-Holland de potentiële zonthermische warmteopwek van zonneboilers, zonnecollectoren op daken voor ruimteverwarming, en zonthermische velden. Tabel 2 - Warmtevraag en praktische potentie van zon op dak en zonnevelden per RES-regio RES-regio
Warmtevraag
Praktische
Praktische
Praktische
woningen en
potentie zon op
potentie zon
potentie
potentie
glastuinbouw
dak zonne-
op dak zonne-
zonnevelden –
zonnevelden
collectoren
boilers warm
Omgevingsvisie
– Verruimd
ruimteverwarming
tapwater (PJ)
(PJ)
(PJ)
(PJ)
Praktische
(PJ) Alblasserwaard
1,4
0,2-0,7
0,1-0,1
0,9
1,4
Drechtsteden
6,0
0,8-2,5
0,3-0,4
0,5
1,7
Goeree-Overflakkee
1,3
0,1-0,4
0,1-0,1
1,4
1,4
Hoeksche Waard
2,1
0,2-0,7
0,1-0,1
2,1
2,1
Holland Rijnland
16,6
1,6-4,9
0,7-0,8
2,2
9,9
Midden-Holland
9,8
0,6-2,0
0,3-0,3
2,5
8,4
Rotterdam-Den Haag
72,3
7,0-21,6
2,9-3,5
3,2
9,5
112,4
10,6-32,8
4,4-5,4
12,7
34,3
Eindtotaal
Figuur 1 toont in welke mate het potentieel aan zonnewarmte de warmtevraag van woningen en glastuinbouw kan vervullen. Buiten de stedelijke gebieden is een volledige dekking mogelijk van de warmtevraag door het potentieel aan zonnewarmte. In buitenstedelijke gebieden is er in principe veel ruimte en is de warmtevraag relatief klein.
6
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Figuur 1 - Match warmtevraag en zonthermische potentie passend bij de Omgevingsvisie op gemeenteniveau
Kansen en belemmeringen De marktkansen voor zonthermiesystemen zijn onderzocht. Zonthermiesystemen concurreren wat betreft ruimtegebruik veelal met zon-pv-systemen. Qua energiefunctie concurreren ze met andere bestaande en duurzame warmtebronnen. Over het algemeen zijn zonthermiesystemen aantrekkelijk omwille van hun duurzame karakter. Specifiek bieden zonneboilers kansen voor de duurzame tapwaterbereiding wanneer de elektriciteitsvraag reeds duurzaam is ingevuld, omdat zon-pv financieel gunstiger is dan zonneboilers. Pvt-systemen vormen een interessante optie voor woningen die optimaal hun dak willen benutten voor duurzame energieopwekking en hun woning willen verwarmen met (hybride) warmtepompen. Grootschalige zonthermie biedt een oplossing voor collectieve warmteopwek daar waar voldoende ruimte beschikbaar is en waar alternatieve warmtebronnen schaars zijn. Zonthermie kent echter ook belemmeringen. Eerder onderzoek en interviews met marktpartijen1 geven de volgende belemmeringen die de ontwikkeling van zonthermie in de weg staan: — bekendheid ontbreekt; — ervaring is beperkt in Nederland; — ruimte is schaars; — financieel ongunstige investeringen vergeleken met zon-pv of aardgas; — regelgeving en normering zijn te weinig ontwikkeld; — combinatie van de techniek is moeilijk en zorgt voor marktuitdagingen.
________________________________ 1
7
Holland Solar, Solarfields en HoCoSto.
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Instrumentarium Provincie De provincie Zuid-Holland zou op de belemmeringen een antwoord kunnen geven door: — de bekendheid te vergroten onder ambtenaren en beslissingsnemers; — ervaring op te doen met zonthermietechnieken door onder meer pilotprojecten te faciliteren; — zonthermische projecten financieel en organisatorisch te ondersteunen; — ruimtelijk beleid te ontwikkelen gericht op zonthermie. Naast deze beleidsopties om zonthermie te stimuleren en faciliteren zijn er resterende onderzoeksvragen die voor de Provincie interessant zijn om aanvullend de inzet van het instrumentarium te bepalen. Zo kan onder meer verder onderzocht worden wat de geschiktheid van daken in Zuid-Holland is voor zonthermie, wat de mogelijkheden zijn voor ondergrondse opslag in Zuid-Holland en welke lessen geleerd kunnen worden van landen en projecten waar zonthermie al op grotere schaal wordt toegepast.
8
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Inleiding Waarom deze studie De provincie Zuid-Holland faciliteert gemeenten en regio’s bij de energietransitie. In dit kader is zij op diverse manieren bezig om de potentie van duurzame warmtebronnen te onderzoeken en te ontsluiten. Hiervoor is ambtelijk een ‘Afwegingskader Bronnenstrategie’ ontwikkeld. Deze studie geeft de kansen weer van zonthermie, één van de duurzame warmtebronnen. Zonthermie is een duurzame warmtebron en, in combinatie met opslag, een alternatief voor aardgasverwarming. Omdat zonthermie voor veel doeleinden een hoogwaardige energiebron is, is er behoefte aan een inventariserend onderzoek naar de huidige mogelijkheden en belemmeringen van zonthermie in de provincie. Naast de onderzoeken die recentelijk over dit onderwerp zijn gepubliceerd, is er behoefte aan een onderzoek dat toegesneden is op de provincie Zuid-Holland.
Doel van het onderzoek Het doel van dit onderzoek is het in kaart brengen van de kansen voor zonthermie in de provincie Zuid-Holland: Het kwantitatief potentieel van zonthermie in de provincie Zuid-Holland. De kansen die er zijn voor zonthermietoepassing in verschillende sectoren. De belemmeringen die zonthermie kent en manieren om deze te mitigeren. En de instrumenten die de provincie Zuid-Holland zou kunnen inzetten om zonthermie te stimuleren.
Leeswijzer In deze rapportage geven we de potentie weer in petajoules (PJ). In Figuur 2 is weergegeven wat een PJ betekent wat betreft energievraag en -opwek. Figuur 2 – Weergave van de ruimte die benodigd is voor de opwek van 1 PJ2
Deze rapportage beschrijft eerst in Hoofdstuk 1 een uiteenzetting van zonthermieconfiguraties. Dit omvat alle onderdelen van de warmtevoorziening en levering om zonneenergie bij de eindafnemer beschikbaar te maken. De bestaande zonthermische opwektechnieken worden behandeld, en er wordt uitgewerkt hoe deze opweksystemen ingepast kunnen worden in de warmtevoorziening voor de verschillende soorten afnemers. ________________________________ 2
9
De opbrengst van zonthermische velden is weergegeven zonder verliezen van opslag en warmtenet.
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Daarna wordt in Hoofdstuk 2 de kwantitatieve potentie van zonthermie in de provincie Zuid-Holland inzichtelijk gemaakt per RES-regio en op gemeentelijk niveau. Vervolgens wordt in Hoofdstuk 3 gekeken naar de marktkansen van zonthermiesystemen en in Hoofdstuk 4 worden de belemmeringen bij de implementatie van zonthermie uiteengezet. Tot slot wordt in Hoofdstuk 5 gekeken naar mogelijkheden om de ontwikkeling van zonthermie te ondersteunen in de vorm van een instrumentarium van de provincie en wordt aangegeven welke vraagstukken nog gedetailleerder onderzoek vergen.
10
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
1 Zonthermiesysteem Zonthermie is een vorm van energieopwekking waarbij de warmte uit zonlicht wordt opgevangen door zonnecollectoren. Een zonnecollector bestaat uit een plaat of constructie van buizen waar water doorheen stroomt, dat wordt opgewarmd als de zon schijnt. Het opgewarmde water wordt via een warmtewisselaar ingezet om tapwater, cv-water, proceswater of warmtenetten te verwarmen. Een zonthermiesysteem bestaat uit meerdere onderdelen: enerzijds het zonthermisch opweksysteem dat de zonnewarmte opvangt en anderzijds de configuratie eromheen, bestaande uit een opslagsysteem, aanvullende warmtevoorziening, warmtedistributienet en aansturing. In dit hoofdstuk beschrijven we eerst de meest gangbare zonthermische opwektechnieken. Daarna gaan we in op de inpassing van de opwektechnieken in de configuratie.
1.1
Zonthermische opwektechnieken Zonwarmtepanelen, ook wel collectoren genoemd, vangen stralingsenergie van de zon op en zetten deze om naar warmte. Een andere optie is de stralingsenergie met behulp van spiegels en lenzen te concentreren op één punt. Er zijn verschillende variaties van systemen die zon opvangen. Hier onderscheiden we vier categorieën, namelijk zonneboilers, zonnecollectoren, pvt-panelen, en concentrerende zontechnieken.
Zonneboilers Een zonneboiler vangt zonnewarmte op met behulp van een zonnecollector en gebruik deze voor warmtapwaterlevering. Een zonneboiler bespaart ongeveer de helft op het gasverbruik voor warm water voor een gemiddeld huishouden (Milieucentraal, 2020a). Er zijn twee categorieën zonneboilersystemen: passieve thermosyphonsystemen die door middel van natuurlijke convectie een geïntegreerd zonneboilerbuffervat opwarmen, en actieve systemen die met een pomp de doorstroom van het warme water naar een buffervat verzorgen. Een buffervat is noodzakelijk om voldoende warmte voor te bereiden en op te slaan.
11
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Figuur 3 - Systeemschets zonneboiler: passief thermosyphonsysteem links en actief pompysteem rechts
Bron: (IEA ETSAP ; IRENA, 2015).
Zonnecollectoren Er bestaan grofweg twee soorten zonnecollectoren, namelijk de vlakke plaatcollector en vacuümbuis collector. Ze hebben een optimale werkingstemperatuurrange tussen 20 en 80°C. Figuur 4 - Vlakke plaatcollector (links) en vacuümbuiscollectoren (rechts)
Bronnen: (IEA ETSAP ; IRENA, 2015) en (SDH, 2012b).
De twee verschillende typen zonnecollectoren hebben verschillende eigenschappen: — Prijs: In veel gevallen worden vlakke plaatcollectoren verkozen boven de vacuümbuiscollectoren omwille van een betere prijs/opbrengst verhouding (IEA ETSAP ; IRENA, 2015). — Efficiëntie en temperatuurbereik: De bruto efficiëntie ten opzichte van het volledige collectoroppervlak van beide systemen liggen dicht bijeen (Olczak, et al., 2020). Een vacuümbuiscollector heeft een hoge efficiëntie per apparatuur oppervlak, namelijk het oppervlak waarmee de collector zonnestraling kan opnemen, zie Figuur 4. Maar het bruto collectoroppervlak voor vacuümbuis collectoren is 30-70% groter dan het apparatuur oppervlak. Bij vlakke plaatcollectoren is dit verschil slechts 5-10% (SDH, 2012b). Hierdoor halen beide systemen ongeveer eenzelfde efficiëntie gemiddeld doorheen het jaar.
12
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
— Werkingstemperatuur: De vacuümbuiscollector is wat beter bij hoge collectortemperaturen. De vlakke plaatcollector werkt goed bij wat lagere midden tot hoge temperaturen. — Locatieafhankelijke factoren zoals de hoeveelheid zoninstraling, omgevingstemperaturen en dergelijke zijn bepalend voor de werking van de zonnecollector en dienen meegenomen te worden in gedetailleerde ontwerpberekeningen.
Pvt-systemen Pv-thermische (pvt)-systemen combineren de productie van zonnewarmte met die van elektriciteit uit zon. Pvt-systemen hebben een gecombineerde opbrengst groter dan de individuele systemen afzonderlijk, wat een voordeel is als het (dak)oppervlak beperkt is. De warmte geleverd door pvt-panelen is lagetemperatuurwarmte. Lagetemperatuurwarmte is slechts beperkt rechtstreeks inzetbaar en heeft daardoor extra energie nodig om te gebruiken bij verwarming op hogere temperaturen. Bij de productie van lagetemperatuurwarmte wordt het pv-gedeelte van de panelen gekoeld zodat de elektriciteitslevering stijgt, met typisch 5% ten opzichte van standaard pv-systemen (Solar Heat Europe, 2018). De geleverde lagetemperatuurwarmte dient verder opgewaardeerd te worden met behulp van een warmtepomp naar bruikbare ruimteverwarmingstemperaturen. Figuur 5 – Pvt-panelen bestaan uit een pv-gedeelte en een thermisch gedeelte
Pvt-systemen worden vaak toegepast in combinatie met grondgekoppelde warmtepompen. Ze worden dusdanig ingezet om de bodem te regenereren. Anderzijds kunnen ze ook rechtstreeks functioneren als warmtewisselaar voor een warmtepomp. In dit geval wordt het paneel niet thermisch geïsoleerd zodat omgevingswarmte eenvoudig onttrokken kan worden. Niet-geïsoleerde vlakke plaatzonnecollectoren kunnen op eenzelfde wijze ingezet worden.
13
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Zonneconcentratietechnieken Zonneconcentratietechnieken (concentrated solar power, CSP) maken gebruik van spiegels om zonnestralen te concentreren op een medium dat de warmte opvangt. Hierdoor kunnen hoge temperaturen bereikt worden tussen 150 en 400°C of nog hogere temperaturen in het geval van zonnetorens. Er zijn twee voorbeeldprojecten CSP in Noordelijk Europa: — een 16,6 MWth parabolische trog CSP in Brønderslev, Denemarken; — de Jülich zonnetoren in Duitsland met een vermogen van 1,5 MWel. Concentratietechnieken benutten enkel directe zonnestralen. Aangezien een groot deel van de jaarlijks zoninstraling (irradiation) diffuus is in Noordelijk Europa vinden deze systemen weinig toepassing, en worden vanuit die overwegingen in deze studie buiten beschouwing gelaten (SDH, 2012b) & (TNO, 2020). Er bestaat een specifieke toepassing van zonneconcentrerende techniek die wel wordt toegepast in Nederland, namelijk de daglichtkas. Met in het glasdak geïntegreerde lenzen wordt zonlicht gefocust op vrij hangende, zonvolgende collectorbuizen (WUR, 2012). Deze techniek is opgenomen in de SDE++-regeling. De veronderstelde opbrengst bedraagt 165 kWh/jaar per m² kasoppervlak (PBL, 2020).
1.2
Toepassingen en configuraties In deze paragraaf gaan we in op de inpassing van het opweksysteem in het grotere geheel. Het opweksysteem is de eerste stap in de keten van de warmtelevering om de afnemer van warmte te voorzien. De volledige configuratie moet vervolgens de afnemer van de gewenste verwarmingstoepassing voorzien. We beschrijven eerst de warmtevraag voor verschillende typen afnemers. Daarna behandelen we hoe een geschikte configuratie inclusief alle componenten eruit ziet om de warmtevraag te vervullen.
Warmtevraag afnemers Verschillende sectoren hebben een warmtevraag in de temperatuurrange van zonthermie, namelijk, de gebouwde omgeving (GO) omvat woningen en utiliteit, de glastuinbouw (GTB) en de industrie (Ind.). De warmtevraag per sector heeft erg verschillende karakteristieken: — Type/toepassing warmtelevering: Ruimteverwarming en warm tapwatervraag zijn het grootste in de gebouwde omgeving, maar worden ook toegepast in al de andere sectoren. In de industrie voornamelijk voor de voorziening van warm proceswater voor specifieke processen. In de glastuinbouw wordt warmte ingezet voor kasverwarming om afhankelijk van de teeltsoort de kas vorstvrij te houden of klimaatbeheersing toe te passen op hogere temperaturen. — Tijdsverloop van de warmtevraag: De vraag naar ruimteverwarming in de gebouwde omgeving en de glastuinbouw varieert seizoensmatig en is het hoogst in de winter. De warm tapwatervraag en de warmtevraag van industriële processen zijn het hele jaar door aanwezig. — Temperatuurniveau van de warmtevraag: Lage, Midden, en Hoge temperatuur (LT, MT, HT) en industrietemperaturen worden onderscheiden per sector in Tabel 3. De isolatiegraad van een woning en het warmteafgiftesysteem bepalen het temperatuurniveau van de warmtelevering. De specifieke toepassing binnen utiliteiten,
14
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
glastuinbouw en industrie leidt ook tot een gewenst temperatuurniveau: zo kunnen in de Utiliteit zwembaden reeds verwarmd worden op LT, is voor kasverwarming bij bepaalde gewassen MT nodig, en in de industrie hebben bepaalde droog en hogere temperatuurprocessen behoefte aan HT-verwarming. — Individuele voorziening of grootschalige collectieve voorziening waarvoor een warmtenet dient te worden aangelegd. Tabel 3 - Temperatuurniveau warmtevraag Temperatuurrange Industrietemperaturen
> 100°C
HT
> 70°C
MT
55°C-70°C
LT
< 55°C
Glastuinbouw
Gebouwde omgeving
Industrie (✔)
✔
✔
✔
✔
✔
✔
✔
Note: De warmtevraag op industrietemperaturen (✔) is niet rechtstreeks te voorzien met zonnecollectoren hiervoor zijn zonneconcentratietechnieken nodig, welke met de zoninstraling in Nederland minder geschikt zijn.
Zonthermiesysteem Een zonthermiesysteem is meer dan alleen het van buitenaf zichtbare zonnepaneel, maar bestaat uit een keten van zonthermische opwektechniek, leidingwerk, thermische opslag, aanvullende warmtevoorziening en meet-en regeltechniek. Figuur 6 laat een gedetailleerde voorbeeldconfiguratie in een woning zien, en een voorbeeldconfiguratie voor een collectief systeem. Figuur 6 – Zonthermiesysteem individueel (links) en grootschalig collectief (rechts)
Bronnen: (IEA ETSAP ; IRENA, 2015) (SDH, 2012a).
De karakteristieken van de afnemers worden weerspiegeld in de configuratie van het systeem. Zonthermische (stads-)verwarmingsconfiguraties worden onderscheiden op basis van volgende aspecten (SDH, 2012a): — Zonthermische opwektechniek: Zonneboiler, zonnecollectoren, pvt-systemen. — Grootte verwarmingssysteem: collectieve stadsverwarming (grote schaal) vs. blokverwarming (beperkte groep woning) vs. individuele warmtevraag.
15
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
— Benuttingsgraad zonwarmte: De zonnefractie is de verhouding van zonwarmte ten opzichte van de totale warmtelevering. Systemen met een hoge zonfractie hebben beperkte extra warmtevoorziening nodig: • voorverwarming met een zonfractie < 10%; • gemiddelde zonfractie tussen 10 en 30%; • hoge zonfractie > 30% met lange termijn thermische opslag. Daarnaast heeft zonthermie een aanvullende warmtechniek nodig voor de resterende (piek)warmtevoorziening en een back-upsysteem. — Opslagsysteem: Opslaan van warmte voor tijden met een lage zonfractie en voorbereiden warmte op hoge temperaturen: Lange termijn seizoensopslag vs. korte termijn buffer. — Centrale of decentrale warmte-uitwisseling: in het huidige type warmtenetten (3de generatie) is de centrale bronvoorziening de norm en is er eenrichtingsverkeer van warmte van de bron naar de afnemers. Bij toekomstige generaties warmtenetten kan op verschillende aansluitpunten aan het warmtenet zowel warmte onttrokken en afgegeven worden. Figuur 7 – Centraal collectief (links) en decentraal individueel (rechts) zonthermiesysteem
Bron: (SDH, 2012a).
Dit leidt vervolgens tot een uitgewerkt overzicht van de zonthermiesystemen. Tabel 4 maakt concreet hoe toepassingen in de sectoren vertaald worden naar een zonthermiesysteem. Er wordt weergegeven welke zonthermische techniek geschikt is, hoe de opslag en opwaardering eruit ziet en waar rekening mee gehouden dient te worden. Tabel 4 - Overzicht van de voornaamste zonthermiesystemen Sector
Toepassing
Grootte
Zonthermische
Opslag
techniek
Opwaardering/
Afweging
warmtevoorziening
GO
Tapwater
Individuele
Zonneboiler
Buffervat
Naverwarmer is
Hoogwaardige
woning,
(dag-nacht,
nodig. Meestal in
warmtevering
collectief,
X liter,…)
de vorm van een
enkel voor
utiliteit met een
geïntegreerd
combiketel of
tapwater.
hoge warm-
of los.
een warmte-
watervraag. GO
Ruimte
Individuele
verwarming
woning.
pomp. Zonnecollectoren
Buffervat nodig
Back-up en
Hybride
ter bereiding
aanvullende
systemen met
(incl. tapwater
warm water en
warmtevoor-
over het
verwarming)
bruikbare
ziening.
algemeen een
warmte.
lage zonfractie. Tenzij indivi-
16
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Sector
Toepassing
Grootte
Zonthermische
Opslag
techniek
Opwaardering/
Afweging
warmtevoorziening duele seizoensopslag beschikbaar wordt.3
GO
Ruimte
Collectief of op
Seizoensopslag
Back-up en
Direct bruikbare
verwarming
niveau van een
Zonnecollectoren
om ook tijdens
piekvoorziening.
MT- of HT-
(incl. tapwater
utiliteitsgebouw.
de winter van
Combinatie
warmte.
warmte te
mogelijk met
Aanleg lokaal
voorzien.
andere warmte-
distributienet.
verwarming)
bronnen. GO
LT-warmtebron
Individueel tot
(Ongeïsoleerde)
Regeneratie van
Opwaardering
Meer warmte
of wko-
collectief.
pvt-panelen,
een (Z)LT-
warmte nodig
beschikbaar op
ongeïsoleerde
opslagsysteem
met behulp van
lage tempera-
zonnecollec-
zoals een wko of
een warmte-
turen.
toren.
een bodemlus
pomp.
regeneratie
van een bodemwarmtepomp. In principe geen buffervat nodig. GTB
Kasverwarming
Specifiek
Zonnecollectoren
Opslag om ook
Back-up en
Direct bruikbare
of DaglichtKas.
tijdens de winter
piekvoorziening.
LT- of MT-
warmte te
Combinatie
warmte afhanke-
voorzien.
mogelijk met
lijk van teelt-
andere warmte-
soort. Levert
bronnen.
geen CO2, zoals bij gasverbranding.
Ind.
Warm
Specifiek
proceswater
Zonnecollectoren
Zomerwarmte-
Back-up en
Direct bruikbare
voor proces-
vraag zonder
piekvoorziening.
MT- of HT-
warmte tot 80°C.
opslag.
Combinatie
warmte.
Concentrerende
Opslag nodig
mogelijk met
Afhankelijk van
zontechnieken
voor winter-
andere warmte-
industriële
voor hogere
warmtevraag.
bronnen.
processen.
temperaturen.
De zonthermische opwektechnieken zijn al besproken in Paragraaf 1.1. Hierna worden ook de andere aspecten van het zonthermiesysteem, namelijk het opslagsysteem, warmtevoorziening en warmte-infrastructuur uitvoerig besproken.
Thermische opslag Een opslagsysteem zorgt dat de mismatch in de tijd tussen het warmteaanbod (de bron) en de warmtevraag (de afnemer) wordt opgelost. Bij opslag op langere termijn, waarbij warmte uit de zomer wordt opgeslagen om te benutten in de winter, spreekt men van seizoensopslag; zie Figuur 8.
________________________________ 3
De warmtebatterij in ontwikkeling door TNO is een mogelijke vorm van individuele seizoensopslag. Verwacht wordt dat deze systemen binnen 5 tot 10 jaar commercieel beschikbaar worden.
17
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Figuur 8 – Schematische weergave van het effect van opslag op de lange termijn (seizoen)
Bron: (TNO, 2020).
Bij de huidige generatie warmtesystemen, 3de generatie warmtenetten, zijn de financieel voordeligste opslagsystemen hoge temperatuur (HTO) aquiferopslag en pitopslag (CE Delft, 2020). De HTO aquiferopslag (ATES) slaat warmte in watervoerende lagen op ongeveer 200-300 m diepte op. Een ontwerp is weergegeven in Figuur 9. De techniek bevindt zich in onderzoekstadium. Internationale en nationale onderzoeksprogramma’s zoals respectievelijk Heatstore en Warming Up, investeren in pilots om deze opslagvorm verder te bewijzen en de huidige uitdagingen te overwinnen. Deze uitdagingen omvatten verder onderzoek naar de impact op de bodem(water)kwaliteit, oplossen van technische problemen en de huidige regelgeving waarbij open bodemopslag niet is toegestaan boven de 25°C-grens (Algemene Maatregel van Bestuur Bodemenergie), en het creëren van een warmteoverschot in de ondergrond ook niet is toegestaan. Gezien het succes en de opgedane ervaring met de wko aquiferopslag en de geschiktheid van de bodem in Zuid-Holland blijft HTO aquiferopslag een veelbelovende techniek. Een ATES heeft bovengronds zeer weinig ruimtegebruik, is vergeleken met de andere thermische opslagtechnieken goedkoop en beschikt afhankelijk van de bodemsamenstelling over opslagremdementen tussen 40 tot 80%4.
________________________________ 4
18
Resultaten van de eerste simulaties ‘Warming Up’-project.
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Figuur 9 - HTO Aquiferopslag (ATES)
Bron: (CE Delft, 2020).
Thermische putten (PTES) onderscheiden zich van thermische opslagtanks door hun lagere constructiekosten en hun grotere volume. Een ontwerp is weergegeven in Figuur 10. Kort gezegd, zijn het ‘slechts’ grote gaten die in de grond worden gegraven (ca. 10 meter diep) en daarna gevuld met water. Ze worden al toegepast op zeer grote schaal in het buitenland, maar ook kleine versies zijn mogelijk. In combinatie met zonnecollectoren voorzien zij vaak direct bruikbare duurzame warmte op hoge temperaturen aan de eindgebruikers. Een nadeel van PTES is dat het ruimte inneemt. Opslagrendementen gaan richting 80%. Figuur 10 - Thermische put (PTES)
Bron: (CE Delft, 2020).
De mogelijkheid van Ecovat (een voorbeeld van een ondergrondse tankopslag) onderzoeken we verder niet, omdat de businesscase nog onvoldoende bewezen is. Een TTES heeft een hogere opbrengst omdat er geen bovengronds ruimtegebruik is en het seizoensrendement 90% is (Ecovat, 2020). Het Ecovat-ontwerp is weergegeven in Figuur 11.
19
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Figuur 11 – Ecovat
Bron: (Ecovat, 2020).
Korte termijnbuffers of zonthermische boilervaten, zijn erg belangrijk. Naast overbruggen van korte perioden zonder productie zorgt een korte termijn buffer er ook voor dat een warm water geleidelijk op gewarmd kan worden tot hogere MT- en HT-temperaturen. Een korte termijnbuffer is essentieel om de warmte op hogere temperaturen direct te benutten voor de afnemer of op hoge temperatuur te injecteren in een collectief warmtenet of seizoensopslagsysteem. Lange termijn thermische opslag op woningniveau is een techniek in ontwikkeling. De voorgaande collectieve technieken slaan warmte op als warm water in grote reservoirs of waterlagen. Warmwatervaten of thermische putten zijn voor een normale woning te omvangrijk5, ook vereisen ATES-systemen op hogere temperaturen grote hoeveelheden warmte om goed te functioneren (IF Technology, 2019). Daarom wordt onderzoek gedaan naar nieuwe technieken zoals bijvoorbeeld de Solar Freezer en de Warmtebatterij van TNO om op woningniveau warmte op te slaan (TKI, sd).
Warmtevoorziening De benuttingsgraad van zonwarmte is zelden 100% en is sterk beïnvloed door het al dan niet toepassen van een opslagsysteem. Zonder opslag moet overproductie zoveel mogelijk vermeden worden, omdat die warmte niet benut kan worden. Met een opslagsysteem kan overproductie van warmte worden ingezet op momenten van hoge warmtevraag en lage productie. Zelfs dan is er vaak onvoldoende zonwarmte om de volledige warmtevraag inclusief pieklevering te voorzien. Daarom is meestal een aanvullende warmtebron nodig. Hiervoor kan een (bio)gasgestookte warmtekrachtcentrale gebruikt worden. Hoe hoger de zonfractie des te meer duurzame zonwarmte gebruikt wordt en hoe minder aanvullende warmte voorzien dient te worden. Tevens is er steeds een back-upsysteem nodig. Ter illustratie: zonthermiesystemen zonder opslag voor stadsverwarming zijn typisch ontworpen om 20% van de totale levering te voorzien, terwijl met een opslag een zonfractie van meer dan 60% behaald kan worden (DEA, 2017). Ter vergelijking worden warmtenetten op geothermie voor circa 70% gevoed met geothermie. ________________________________ 5
Er bestaan uitzonderingen: een vrijstaande woning met een grote tuin kan bijvoorbeeld wel een groot warmwatervat of thermische put in de tuin installeren.
20
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Een andere belangrijke factor in de warmtevoorziening is de leveringstemperatuur van warmte. Niet-geïsoleerde collectoren of pvt-panelen leveren warmte op LT-temperaturen. Deze warmte dient nog verder opgewaardeerd te worden naar hogere temperaturen om bruikbaar ingezet te worden. Directe levering door goed ingeregelde zonthermische collectoren op MT of HT hebben nauwelijks verdere opwaardering nodig en zijn direct inzetbaar.
Warmtedistributienet Ongeacht de warmtevoorziening zijn de investeringen in een (lokaal) distributienet behoorlijk hoog. De aanleg van een warmtenet gaat gepaard met de uitrol van een volledig nieuwe netinfrastructuur inclusief leidingen, onderstations en bijbehorende civiele werken. Er is bovendien ook een toevoerleiding nodig om ruimtelijk de productie, welke vaak plaatsvindt in open ruimte buiten de stedelijk gebieden, te koppelen aan centraal gelegen afnemers met een warmtevraag. De kosten voor de hele warmteleidinginfrastructuur liggen vaak vele malen hoger dan de kosten van de warmteopwek. Het is dus erg belangrijk om deze kosten mee te nemen in de financiële overwegingen bij de implementatie van zonthermie. Daar staat tegenover dat de investeringen voor woningeigenaren aanzienlijk lager zijn dan bij individuele oplossingen. Naast het warmtedistributienet is ook warmtetransport nodig van het zonneveld naar de afnemers. Omdat beperkt warmtetransport over lange afstanden gepaard gaat met hoge verliezen dient de afstand tussen opwek en afnemers geminimaliseerd te worden.
21
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
2 Potentie van zonthermie In dit hoofdstuk geven we een kwantitatieve bepaling van de potentie van zonthermie in de provincie Zuid-Holland. Figuur 12 geeft de definities van de verschillende soorten potentieel weer die in dit onderzoek worden gehanteerd. Figuur 12 – Verschillende soorten potentieel
Theoretisch potentieel
Theoretische maximum hoeveelheid
Technisch potentieel
Houdt rekening met technische beperkingen
Praktisch potentieel
Houdt rekening met de match tussen vraag en aanbod
We gaan eerst in op de potentie van zonthermie op daken en vervolgens die van zonthermie op velden.
2.1
Zonthermie op daken Op daken gemonteerde zonnecollectoren kunnen zowel voor woningen als utiliteit voorzien in warmte. Omdat de warmtapwater- en verwarmingsvraag en het dakoppervlak van utiliteiten sterk varieert, worden hier enkel woningen beschouwd. Eerst wordt een inschatting gemaakt van het potentieel van zonneboilers, daarna van zonnecollectoren voor ruimteverwarming.
2.1.1 Zonneboilers Een zonneboiler bereidt een deel van het warm tapwater, en voorziet niet in de ruimteverwarming. Een zonneboiler bespaart ongeveer de helft van het aardgasverbruik voor warm tapwater (Milieucentraal, 2020). Op basis van de vraag naar warmtapwater schatten we eerst de maximale energievraag in die zonneboilers kunnen realiseren. Dit geeft aan hoeveel warmte voorzien kan worden door
22
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
zonneboilers, indien iedere woning een zonneboiler heeft (theoretische potentie). Vervolgens wordt gekeken naar factoren die bepalen of een woning geschikt is om een zonneboiler te plaatsen. Zo wordt een inschatting gegeven van de hoeveelheid warmte die zonneboiler voorzien kan worden (praktische potentie).
Theoretisch potentieel De theoretische potentie van zonneboilers is de hoeveelheid warmte waarin voorzien kan worden door zonneboilers, indien iedere woning een zonneboiler heeft. Dit wordt bepaald op basis van de vraag naar warmtapwater. Deze vraag is afhankelijk van de huishoudenssamenstelling. Hoe meer personen in een huishouden, hoe meer warm water verbruikt wordt. Tabel 5 geeft weer hoeveel gas er jaarlijks bespaard kan worden met een zonneboiler voor iedere huishoudensamenstelling. Tabel 5 - Karakteristieken zonneboilers naar huishoudenssamenstelling6 (de oranje cijfers zijn geïnterpoleerde waarden) Aantal personen
Collectoroppervlak/Voorraadvat (m²/liter)
Jaarlijkse besparing gas7 in m³
1
1,25 m²/55 liter
90 m³
2
2 m²/80 liter
120 m³
3
2,75 m²/115 liter
150 m³
4
3,5 m²/150 liter
180 m³
5
4,25 m²/185 liter
210 m³
6
5 m²/220 liter
240 m³
Bron: (Milieucentraal, 2020).
Aan de hand van de samenstellingsgrootte van huishoudens in Zuid-Holland kan vervolgens de bespaarde gasvraag bepaald worden. Tabel 6 geeft de samenstelling van huishoudens in Zuid-Holland. Tabel 6 - Particuliere huishoudens samenstelling Zuid-Holland 2020 Samenstelling huishouden
Aantal huishoudens
Percentage van aantal huishoudens
1 persoon
691.263
40%
2 personen
531.961
31%
3 personen
208.510
12%
4 personen
199.238
12%
5 of meer personen
89.016
5%
1.719.988
100%
Totaal Bron: (CBS, 2020).
Door deze gegevens met elkaar te combineren komen we tot een totale theoretisch mogelijke besparing van 213 miljoen m³ aardgas. Deze hoeveelheid aardgas heeft een energetische waarde van 6,7 PJ.8 Dit is de theoretische potentie van zonneboilers. ________________________________
23
6
De grootte van de collector en het voorraadvat is gebaseerd op een gemiddeld waterverbruik. Verbruikt een
7
huishouden veel water, dan heb je een groter voorraadvat nodig. Jaarlijks zijn er € 15-25 extra elektriciteitskosten door de extra pompenergie; dit is buiten beschouwing
8
gelaten. Berekend met onderwaarde 31,65 MJ/m³ van de verbrandingswaarde aardgas in Nederland.
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Praktisch potentieel zonneboilers Niet elke woning kan gebruik maken van een zonneboiler om warm tapwater te leveren. De geschiktheid van het dak bepaalt of een zonneboiler toegepast kan worden. Tabel 7 geeft een overzicht van de beperkingen weer. Tabel 7 – Technische beperkingen voor zonneboilers Beperking
Uitleg
Oriëntatie
Een geschikt dakoppervlak heeft een hellingshoek kleiner dan 70 graden en is niet gericht op het noorden (noordwesten tot en met het noordoosten). Op een plat dak kan een stelling geplaatst worden die de zonnecollectoren optimaal richt (Zonnewijzer, sd).
Schaduw omliggende
Dakoppervlakken met schaduwval zijn ongeschikt wanneer deze dakoppervlakken
constructies
minder dan 700 kWh/m² zonne-instraling per jaar ontvangen (Zonnewijzer, sd).
Onvoldoende oppervlak
Rekening houdend met obstakels en reglementering in zake dakinpassing dient er voldoende dakoppervlak beschikbaar te zijn voor een zonneboiler. Omwille van het beperkte nodige dakoppervlak voor zonneboilers vormt dit geen restricties, voor een gemiddeld huishouden van 2,2 personen is er slechts 2,5 m² geschikt dakoppervlak nodig.
Constructie
Het dak dient constructie technisch geschikt te zijn om de zonnecollectoren te kunnen bevestigen en te dragen.
Beschermde stads- en
Binnen beschermde stads- en dorpsgezichten kunnen andere regels gelden voor het
dorpsgezichten
plaatsen van zonnepanelen.
Competitie zon-pv
Landelijk heeft 4-5% van de daken al een zon-pv-opstelling. Wanneer zon-pv panelen het volledige (geschikte) dakoppervlak bedekken vormt dit een restrictie op beschikbaar dakoppervlak. Als dit niet geval is, en er ruimte over is kunnen er aanvullend zonnecollectoren bijgeplaatst worden.
Gestapelde bouw
Zonneboilers in gestapelde bouw zorgen voor uitdagingen in de constructie wat betreft gewicht op het dak en distributie in het gebouw.
In deze studie is niet bepaald welke beperkingen er precies gelden voor zonthermie op daken in Zuid-Holland. In plaats daarvan houden we rekening met een algemeen percentage van de daken die geschikt zijn voor zonnepanelen. In andere gebieden ligt dit percentage tussen de 65-80%, zie Tabel 8. Dit algemeen percentage houdt rekening met de meeste van bovenstaande beperkingen. Tabel 8 – Percentage van de daken geschikt voor zonne-energie opwekking Gebied
Percentage van de daken geschikt
Referentie
volgens zonatlas9 Provincie Groningen
70%
(RTVNoord, 2014)
Gelderland
65%
(HetKontakt, 2013)
Amsterdam
66%
(Parool, 2015)
Utrecht
82%
(Utrecht, 2019)
________________________________ 9
De zonatlas definieert een dak als geschikt als er minimaal 8 m² aaneengesloten dakoppervlak beschikbaar is. Dit is ruim voldoende voor een zonneboiler.
24
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
We nemen hier aan dat de range van 65-80% geschikte daken ook geldt voor zonneboilers en ook van toepassing is in de provincie Zuid-Holland. Hiermee wordt de theoretische potentie gecorrigeerd. Tabel 9 geeft de theoretische en praktische potentie per RES-regio. Het praktische potentieel van zonneboilers in Zuid-Holland ligt tussen 4,4–5,4 PJ. Voor het opwekken van deze hoeveelheid energie is gemiddeld 2,34 m² zonnecollector per huishouden nodig. Tabel 9 – Theoretische en praktische potentie van zonneboilers per RES-regio RES-regio
Aantal huishoudens
Theoretische potentie
Praktische potentie
zonneboilers (PJ)
zonneboilers (PJ)
Alblasserwaard
33.461
0,14
0,09-0,11
Drechtsteden
127.225
0,51
0,33-0,41
Goeree-Overflakkee
21.138
0,09
0,06-0,07
Hoeksche Waard
37.135
0,15
0,1-0,12
Holland Rijnland
260.796
1,03
0,67-0,83
Midden-Holland
101.593
0,42
0,27-0,33
Rotterdam-Den Haag
1.138.640
4,41
2,86-3,53
Eindtotaal
1.719.988
6,75
4,39-5,40
2.1.2 Zonnecollectoren voor ruimteverwarming Zonnecollectoren voorzien in de ruimteverwarming. De ruimteverwarmingsvraag van een woning is een stuk groter dan de warm tapwatervraag. Het gasverbruik voor ruimteverwarming bedraagt gemiddeld 79% van het totale gasverbruik, dat voor warm tapwater 21% (ACM, 2020). Ruimtes worden verwarmd tijdens de donkere wintermaanden, wanneer er weinig zonneenergie beschikbaar is. Om de ruimtewarmtevraag in te vullen is er dus individuele warmteopslag nodig, een techniek die nog in ontwikkeling is. Ter vergelijking is de warm tapwatervraag nagenoeg constant doorheen het jaar en kan dus een groot deel van het warme tapwater tijdens de zomer voorzien worden zonder opslag.
Praktisch potentieel zonnecollectoren voor ruimteverwarming We schatten de potentiële warmtelevering voor ruimteverwarming op basis van aannames en afwegingen over de geschiktheid en beschikbare oppervlak van daken. We hanteren een range van 65-80% van de woningdaken geschikt voor zonne-energieopwekking. Deze range komt overeen met de eerder gehanteerde range bij zonneboilers. Een belangrijke kanttekening is dat dit percentage van toepassing is op het aantal daken, niet op het aantal woningen. Van het totaal aantal woningen in Zuid-Holland zijn 52% meergezinswoningen. Er is niet bekeken of het beschikbare dakoppervlak op appartementsgebouwen voldoende is voor alle appartementen, maar we gaan er hier van uit dat het dakoppervlak volstaat. Op de geschikte daken is er gerekend met 8-20 m² beschikbaar oppervlak voor zonnecollectoren. 8 m² wordt door de Zonatlas gehanteerd als minimumwaarde voor een geschikt dak voor zonne-energieopwekking (Zonatlas, sd). Op deze grenswaarde is tevens het eerder genoemde percentage van geschikte woningen gebaseerd. Als bovenwaarde van de range
25
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
hanteren we 20 m². Dit komt overeen met een uitgebreide opstelling van 12 zonnecollectoren. Een zonnecollectoropstelling van 8-20 m² genereert 12-30 GJ warmte per geschikte woning. Rekening houdend met opslagverliezen van minimaal 20% krijgen we een warmtelevering van 9-24 GJ. De warmtevraag voor ruimteverwarming ligt gemiddeld rond 30 GJ (ACM, 2020). De geleverde warmte kan dus nuttig ingezet worden. Dit leidt uiteindelijk tot de praktische potentie van zonnecollectoren voor ruimteverwarming, weergegeven in Tabel 10. Tabel 10 – Praktische potentie ruimteverwarming door zonnecollectoren per RES-regio RES-regio
Aantal woningen
Praktische potentie zonnecollector ruimteverwarming (PJ)
Alblasserwaard
34.415
0,2-0,7
Drechtsteden
129.229
0,8-2,5
Goeree-Overflakkee
21.855
0,1-0,4
Hoeksche Waard
37.821
0,2-0,7
Holland Rijnland
252.238
1,6-4,9
Midden-Holland
102.234
0,6-2
Rotterdam-Den Haag
1.115.096
7-21,6
Eindtotaal
1.692.888
10,6-32,8
2.1.3 Zonneboiler en zonnecollectorpotentie buiten stedelijke gebieden In Zuid-Holland is veel grootschalige industriële restwarmte beschikbaar, maar het is onwaarschijnlijk dat deze warmte beschikbaar zal komen voor gebieden buiten de Randstad. Daar is mogelijk een schaarste aan warmtebronnen. Daarom wordt de potentie van zonthermie op daken en zonthermiepotentie op velden specifiek uitgelicht voor enkele minder stedelijke gemeenten. Het potentieel van zonnecollectoren en zonneboilers buiten de stedelijke gebieden is gegeven in Tabel 11. Deze tabel geeft aan in welke mate de warmtevraag met zonthermie ingevuld kan worden met individuele opwek op daken in de landelijke gemeenten. Tabel 11 – Potentiële warmtelevering door zonneboilers en zonnecollectoren buiten stedelijke gebieden Landelijke gemeente
26
Aantal woningen
Warmtevraag
Praktische potentie
woningen (PJ)
zonneboiler
Praktische potentie zonnecollector
tapwaterverwarming
ruimteverwarming
(PJ)
(PJ)
Bodegraven-Reeuwijk
14.499
0,60
0,04-0,05
0,09-0,28
Goeree-Overflakkee
21.855
1,15
0,06-0,07
0,14-0,42
Hoeksche Waard
37.821
1,50
0,1-0,12
0,24-0,73
Kaag en Braassem
11.726
0,47
0,03-0,04
0,07-0,23
Krimpenerwaard
23.933
1,03
0,06-0,08
0,15-0,46
Molenlanden
17.205
0,67
0,05-0,06
0,11-0,33
Nieuwkoop
11.498
0,44
0,03-0,04
0,07-0,22
Eindtotaal
138.537
5,86
0,37-0,45
0,87-2,68
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
2.2
Zonthermie op velden Voor het bepalen van de potentie van zonthermie op velden richten we ons specifiek op grootschalige collectieve zonthermische systemen inclusief seizoensopslag. Er zijn twee scenario’s doorgerekend: een scenario met de geldende beperkingen voor zonnevelden uit de omgevingsvisie van de provincie en een scenario waar de strengste beperkingen worden losgelaten. Voor elk scenario worden drie verschillende soorten potentieel bepaald: theoretisch potentieel, technisch potentieel en praktisch potentieel: — Het theoretische potentieel is een weergave van de beschikbare ruimte voor zonthermische velden. Hierbij wordt rekening gehouden met beperkingen op ruimtegebruik voor natuur, stedelijk gebied, recreatiedomein e.d. — Om het technisch potentieel te bepalen is rekening gehouden met locaties waar behalve zonthermische opwek ook collectieve seizoensopslag mogelijk is. Zonder seizoensopslag kan immers zonthermie niet gedurende een groot gedeelte van het jaar worden benut. Op basis van de keuze van opslagsysteem kan ook de potentiële warmteopbrengst worden bepaald. — Het praktisch potentieel is dat deel van het theoretisch potentieel dat ook daadwerkelijk gekoppeld kan worden aan mogelijke afnamelocaties. Bij collectieve systemen zijn dat de mogelijke afname van gebouwde omgeving, industrie of glastuinbouw.
Dit is belangrijk omdat de (rendabele) transportafstanden bij thermische energie beperkt zijn, in tegenstelling tot elektriciteit. We brengen hiervoor potentiële warmtevraaglocaties in kaart vanuit de gebouwde omgeving, glastuinbouw en industrie. De potentie wordt uitgedrukt in hectares en PJ en wordt onderverdeeld naar de zeven RES-regio’s. De zonthermiepotentie van het Havencomplex is verwaarloosbaar en wordt opgenomen in de RES-regio Rotterdam Den Haag. N.B.: Het doel van de potentiestudie is niet om gebieden weer te geven waar zonpotentie is toegestaan. Het biedt inzichten in de omvang en de mogelijkheden die zonthermie heeft in de provincie Zuid-Holland. Het vormt hierbij een ruwe schatting van het potentieel. Maatwerk is steeds nodig om locaties te selecteren voor het opstarten van een project. De ruimtelijke kwaliteit is erg belangrijk bij de daadwerkelijke bepaling of een locatie geschikt is.
2.2.1 Theoretisch potentieel De potentiebepaling van zonthermie bestaat uit twee scenario’s. Een potentieel volgens de kaders van de ‘provinciale Omgevingsvisie’ en een ‘verruimd potentieel’ dat minder terughoudendheid kent.
Verruimd theoretisch potentieel (excl. kaders omgevingsvisie) Als eerste uitgangspunt beschouwen we de kaartlaag ‘zonpotentie velden’ van RVO welke de denkbare locaties weergeeft voor zonnepanelen in veldopststelling. Te zien zijn gras- en akkerlanden buiten de bebouwing, exclusief gebieden die tot Natura 2000 behoren. Vervolgens halen we hier de gebieden van af waarvoor het onwaarschijnlijk is dat zonthermie hier kans maakt. Dit gebeurt op basis van omgevings- en landschapsoverwegingen in Tabel 12.
27
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Tabel 12 – Gebieden die uitgesloten worden voor verruimde theoretische potentie Gebied
Bron
Stad- en dorpsgebied
Omgevingsvisie (Provincie Zuid-Holland, 2019)
Bedrijventerrein
Omgevingsvisie (Provincie Zuid-Holland, 2019)
Erfgoed (kroonjuweel cultureel erfgoed,
Omgevingsvisie (Provincie Zuid-Holland, 2019)
werelderfgoed) Gebied met archeologische waarde
Omgevingsvisie (Provincie Zuid-Holland, 2019)
Groene buffer
Omgevingsvisie (Provincie Zuid-Holland, 2019)
Landgoed/Kasteelbiotoop
Omgevingsvisie (Provincie Zuid-Holland, 2019)
Recreatie
Bestand bodemgebruik (CBS, 2015)
Glastuinbouw
Bestand bodemgebruik (CBS, 2015)
Luchthaven
Bestand bodemgebruik (CBS, 2015)
Beschermingscategorie 2:
Visie ruimte en mobiliteit (Provincie Zuid-Holland,
Natuurgebied in en buiten de stad
2019)
Beschermingscategorie 2:
Visie ruimte en mobiliteit (Provincie Zuid-Holland,
Recreatiegebied & belangrijk vogelweidegebied
2019)
Theoretisch potentieel op basis van de omgevingsvisie Dit theoretische potentieel wordt bepaald op basis van het verruimde potentieel. Dit potentieel wordt ingeperkt door de ‘provinciale Omgevingsvisie’. Hierin worden mogelijkheden weergegeven alsook gewenste ruimtes. In Tabel 13 worden volgende potenties weergegeven. Deze wordt aangevuld met de verruimde potentie exclusief landbouwgebied. Deze gebieden komen neer op locaties van infrastructuur, slipdepots, etc. Tabel 13 – Gebieden die wel en niet worden meegenomen in het Omgevingsvisie-potentieel Verschillende typen
Nadere verklaring vanuit de omgevingsvisie
gebieden omgevingsvisie Landbouwgebieden
Meegenomen in potentie?
In een provincie waarin onbebouwde ruimte een schaars en
✖
waardevol goed is, is een terughoudende benadering van zonnevelden in die open ruimte op zijn plaats. Concurrentie met het agrarisch grondgebruik wordt tegengegaan. In combinatie met een
Een zonneveld in combinatie met een windpark betreft altijd
windturbinepark
maatwerk. Windturbines staan vaak met minimale verharding
✔
in open landschappen, indien hier een zonneveld wordt toegevoegd kan door de toevoeging van deze meer stedelijke voorziening het landschappelijk beeld en grondgebruik aanzienlijk veranderen. Glastuinbouwgebied
Realisering van een zonneveld is mogelijk, mits dit geen
(Open ruimte in
verdringend effect heeft op de functie glastuinbouw.
greenports)
Er moet behoedzaam omgegaan worden met de groene
✔
ruimtes in de vaak dichtbebouwde kassengebieden. Stads- en dorpsranden
Uitsluitend in de stads-en dorpsranden die zich kenmerken
✔
als contact of overlap gebied (vervlechting van stedelijke functies en landschap). Locaties infrastructuur
Betreft bermen en taluds van rijks- en provinciale wegen, spoorwegen en parkeerplaatsen.
28
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
✔
Resultaat In Tabel 14 wordt weergegeven wat de zonthermische potentie is in oppervlakte (ha). Ter referentie wordt ook de oppervlakte van iedere RES-regio ernaast weergegeven. Tabel 14 - Ruimtelijke potentie zonthermie in ha RES-regio
Verruimd potentieel
Potentieel volgens
(ha)
Omgevingsvisie (ha)
Oppervlakte RES-regio (ha)
Alblasserwaard
6.350
87
21.365
Drechtsteden
1.769
120
18.744
Goeree-Overflakkee
15.569
1.330
25.683
Hoeksche waard
17.333
525
28.314
Holland Rijnland
9.430
3.262
52.159
Midden-Holland
8.381
865
36.161
Rotterdam-Den Haag
10.210
1.737
113.453
Totaal
69.042
7.926
295.879
Percentage
23,3%
2,7%
100%
2.2.2 Technisch potentieel Het technisch potentieel houdt rekening met de mogelijkheid van thermische opslag. Thermische opslag verplaatst het zomerse aanbod van zonthermische warmte naar de winterse warmtevraag. Bij de huidige generatie warmtesystemen, 3de generatie warmtenetten, zijn de financieel voordeligste opslagsystemen HTO aquiferopslag (ATES) en pitopslag (PTES)-systemen. Waar mogelijk verdient HTO aquiferopslag de voorkeur omdat deze weinig ruimtegebruik vraagt.
Mogelijkheid voor aquiferopslag (ATES) De beperkingsgebieden in Tabel 15 uitgesloten voor aquiferopslag. Tabel 15 – Beperkingsgebieden voor open bodemopslagsystemen Typen
Beschrijving
Hoe meenemen?
Drinkwaterbeschermingsgebied, boringsvrije
Bodemenergiesystemen niet
Uitsluiten
zone, waterbeschermingsgebied, waterwin-
toegestaan
gebied Risicogebieden aantasting zoetwatervoorraden
Beperkt geschikt voor open bodem-
Uitsluiten
energiesystemen Voorgenomen aanvullende strategische
Voorgenomen uitsluiting van open
voorraden
en gesloten bodemenergiesystemen
Uitsluiten
Vervolgens wordt rekening gehouden met de ATES-potentie. In de Signaleringskaarten zijn gebieden aangegeven met slechte, matige, redelijke, goede en zeer goede potentie (Nationaalgeoregister, 2019). De gebieden met slechte en matige potentie worden uitgesloten voor aquiferopslag.
29
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Figuur 13 - Beperkingsgebieden open bodemopslagsystemen
Landgebruik In de gebieden waar er geen mogelijkheid is voor aquiferopslag, wordt er een percentage van het oppervlak afgetrokken en gereserveerd voor thermal pit storage. Tussen de 10 en 15% van het landgebruik is nodig voor een PTES. We hanteren de bovengrens van 15%. Het volledige landoppervlak kan niet volgelegd worden met zonnecollectoren. Voor 1 m² zonnecollectoroppervlak is ongeveer 3-4 m² land nodig (SDH, 2012c). Er is immers ruimte nodig voor onderhoud, om ervoor te zorgen dat collectoren geen schaduw op elkaar werpen en ruimte voor de landschappelijke inpassing. Deze overwegingen gelden eveneens voor zon-pv-veldopstellingen. De berekening wordt uitgevoerd met de midden waarde van 3,5 m2 land per m2 collector. 𝑂𝑝𝑝𝑒𝑟𝑣𝑙𝑎𝑘𝑐𝑜𝑙𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 =
𝑂𝑝𝑝𝑒𝑟𝑣𝑙𝑎𝑘𝑙𝑎𝑛𝑑 3,5
Deze verhouding tussen bruto landoppervlak en netto collectoroppervlak komt nagenoeg overeen met gerealiseerde projecten in Nederland zoals zoneiland Almere en productielocaties in bijvoorbeeld Vojens, Gram en Dronninglund in Denemarken. In Denemarken waar veel open ruimte beschikbaar is, is er echter geen sprake van dubbel ruimtegebruik. Het is immers mogelijk om bovenop een pitopslag extra zonnecollectoren te plaatsen en zo het landgebruik te verminderen en optimaler te benutten.
30
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Warmteopbrengst en efficiëntie zonnecollectoren Voor gebruik in de gebouwde omgeving zijn er zijn twee dominante types zonnecollectoren namelijk de vlakke plaat zonnecollectoren en de vacuümbuis zonnecollectoren, deze hebben een gelijkaardige brutocollectoroppervlakefficiëntie (Olczak, et al., 2020). Een generieke berekeningsmethodiek op basis van de conceptadviezen SDE+-subsidieregeling wordt gehanteerd om het vermogen en opbrengst per collectoroppervlak te bepalen (PBL, 2020). 𝑉𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 = 0,7 𝑘𝑊/𝑚2 ∙ 𝑂𝑝𝑝𝑒𝑟𝑣𝑙𝑎𝑘𝑐𝑜𝑙𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑂𝑝𝑏𝑟𝑒𝑛𝑔𝑠𝑡 = 420
𝑘𝑊ℎ 𝑚2
∙ 𝑂𝑝𝑝𝑒𝑟𝑣𝑙𝑎𝑘𝑐𝑜𝑙𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 oftewel 1,512
𝐺𝐽 𝑚2
∙ 𝑂𝑝𝑝𝑒𝑟𝑣𝑙𝑎𝑘𝑐𝑜𝑙𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟
Het vermogen van de installatie bedraagt 0,7 kW per m² collectoroppervlak. Het aantal vollasturen van de installatie bedraagt 600 uur. Dit levert een jaarlijkse warmteopbrengst van ca. 420 kWh per m² of 1,512 GJ/m².
Warmteverliezen Verder is er rekening gehouden met volgende verliezen tot aan de eindafnemer: — Thermische opslagverliezen: Warmte wordt verloren aan de omgeving wanneer dit wordt opgeslagen gedurende langere tijd. Deze zijn afhankelijk van opslagtype. • ATES: ca. 40% (IF Technology, 2019). • PTES: ca. 20% (IEA ECES Annex 30, 2018). — Leindingverliezen warmtenetwerk: Tussen de warmtevoorziening en de gebruiker van warmte zit een warmtedistributienet. In dit leidingnetwerk wordt warmte verloren aan de ondergrond. • Leidingverlies tot in de woning: ca. 25% (CE Delft, 2019).
Resultaat Het technisch potentieel aan zonthermische warmte die effectief bij de afnemer geleverd kan worden, is weergegeven in Tabel 16 voor de ruimte technische potentie en Tabel 17 voor de technische potentie op basis van de omgevingsvisie. Tabel 16 – Verruimde technische potentie in PJ RES-regio
PTES
ATES mogelijk
Totaal 14,7
(ATES niet mogelijk) Alblasserwaard
9,7
5,0
Drechtsteden
1,4
2,4
3,9
Goeree-Overflakkee
28,8
8,7
37,5
Hoeksche waard
6,6
28,8
35,3
Holland Rijnland
3,1
16,0
19,2
Midden-Holland
6,8
11,1
17,8
Rotterdam-Den Haag Eindtotaal
31
4,8
16,2
21,1
61,3
88,2
149,4
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Tabel 17 - Technische potentie volgens Omgevingsvisie in PJ RES-regio
PTES
ATES mogelijk-
Totaal
(ATES niet mogelijk) Alblasserwaard
1,5
0,7
2,2
Drechtsteden
0,4
0,2
0,5
Goeree-Overflakkee
6,9
2,1
9,0
Hoeksche waard
0,7
3,7
4,4
Holland Rijnland
0,2
2,0
2,2
Midden-Holland
1,1
1,5
2,6
Rotterdam-Den Haag
0,6
2,7
3,3
11,4
12,8
24,3
Eindtotaal
2.2.3 Praktisch potentieel Het praktisch potentieel wordt bepaald door de mate waarin het zonthermisch warmtepotentieel de totale warmtevraag van de gebouwde omgeving en glastuinbouw lokaal kan vervullen. Belangrijk hierbij is de match tussen de grootte van vraag en aanbod, het temperatuurniveau en de maximale afstand tussen vraag en aanbod.
Bepaling van contouren en grootte van de vraag Voor de verschillende vraagsectoren bepalen we de gebiedscontouren en de huidige warmtevraag als volgt:
Sector
Contouren
Warmtevraag
Woningen
Stad- en dorpsgebieden
Warmteprofielenkaart. Deze kaarten omvatten de warmtevraag
(Omgevingsvisie)
gedetailleerd op woningniveau en onderverdeeld over verschillende temperatuurniveaus (LT,MT, HT)10 (Provincie Zuid-Holland, sd).
Stad- en dorpsgebieden
In de warmteprofielkaarten ontbreekt utiliteitsdata. De warmte-
(Omgevingsvisie)
vraag van de utiliteitsbouw is grotendeels onbekend omwille van de
Utiliteit
verscheidenheid aan gebouwen en aan activiteiten die in de gebouwen bedreven wordt. Glastuinbouw
Greenports
Oppervlak uit bestand bodemgebruik en vermenigvuldiging met kental per teelttype:
Enkel kasoppervlak in clusters in de Greenports wordt meegenomen
Verdeling van het oppervlak per teelttype per gemeente
beschikbaar uit CBS (CBS, 2020) Warmtebehoefte per oppervlak per teeltsoort11:
Bloemkwekerij 970 MJ/m2
Boomkwekerij 323 MJ/m2
Fruit 462 MJ/m2
Glasgroente 562 MJ/m2
________________________________ 10
De warmtevraag in de huidige versie 4.0 van de Startanalyse (Leidraad) wordt berekent op buurtniveau en
11
minimale isolatie naar label B. Deze isolatie-eis is enkel nodig voor LT-niveau. Deze warmtevraag is door CE Delft berekend op basis van gegevens uit CBS, gegevens over elektriciteitsconsumptie van LEI (Velden & Smit, 2014) de aanname dat elektriciteitsinkoop ruim 50% van de consumptie is, en de helft van de elektriciteitsproductie voor eigen gebruik.
32
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
De weergave van de warmtevraag in de ruimte is zichtbaar in Figuur 14. Figuur 14 - Ruimtelijke indeling van de warmtevraag
De warmtevraag uiteengezet naar de verschillende RES-regio’s is in Tabel 18 weergegeven in PJ. Deze cijfers geven de absolute warmtevraag weer. Tabel 18 - Huidige warmtevraag woningen en glastuinbouw per RES-regio Warmtevraag
Woningen
Glastuinbouw
Totaal
(PJ/jaar)
LT
MT
HT
(MT en LT)
Alblasserwaard
0,14
0,95
0,29
0,00
1,39
Drechtsteden
0,57
3,65
1,38
0,39
5,98
Goeree-Overflakkee
0,12
0,59
0,42
0,20
1,33
Hoeksche waard
0,14
1,04
0,32
0,58
2,09
Holland Rijnland
1,20
7,19
3,01
5,16
16,57
Midden-Holland
0,47
2,95
1,00
Rotterdam-Den Haag
5,43
30,45
14,00
5,40 25,412
72,28
Totaal
8,07
46,82
20,42
37,13
112,44
9,82
________________________________ 12
Voor de bepaling van de warmtevraag van de glastuinbouw in de regio Rotterdam-Den Haag is gerekend met de gasvraag uit de Nulmeting Greenport West-Holland studie van CE Delft (CE Delft, 2019). De inzet van aardgas voor warmte bij wkk-verwarming in de glastuinbouw bedraagt ca. 50% volgens de KEV 2019 (PBL, 2019).
33
200260 - Verkennend onderzoek zonthermie Zuid-Holland – November 2020
Uitgangspunten voor berekening Voor het berekenen van de mate waarin de warmtevraag kan worden ingevuld door zonthermie zijn twee factoren van belang: de zonfractie en de opbrengstefficiëntie. De zonfractie, de fractie zonwarmte in de totale warmtelevering, is een belangrijke factor in match tussen vraag en aanbod. In stadsverwarmingsprojecten in Denemarken met seizoensopslag wordt een zonfractie tot 60% bereikt. Het overige gedeelte wordt voorzien door een ander (piek)warmtevoorziening. Aangezien de zonfractie erg afhankelijk is van de details van ieder zonthermieproject is deze factor achterwege gelaten en wordt 100% zonfractie aangenomen. Met andere woorden de volledige warmtevraag wordt vervuld door zonpotentie. De opbrengstefficiëntie is afhankelijk van het temperatuurniveau van de warmtelevering. Tabel 19 geeft de temperatuurniveaus van de warmtevraag weer. Tabel 19 – Temperatuurniveaus van de warmtevraag glastuinbouw en gebouwde omgeving Temperatuurrange